专利名称：钻具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻具，特别是一种用于井眼钻探的可旋转的钻具，例如随后用于 提取石油或天然气。
背景技术：
在井眼中有些时候期望包含直径增大的区域。显然，如果在较小直径部分下面钻 出直径相对大的部分，那么能够对大直径部分进行钻孔的钻头必须能够通过较小直径部分 来安装。在这种应用中使用的一种类型的钻孔机包括许多移动部件，以允许增大钻头的有 效钻孔直径。在这种类型的应用中所使用的另一类型的钻头是双中心钻头。这样的钻头被 设计，以允许它能够围绕两个不同的旋转轴线驱动。钻头围绕第一中心轴线的转动或支撑 导致钻头钻进或能够穿过相对较小直径的孔，钻头围绕偏心于钻头主体的第二轴线的转动 导致钻出较大直径的孔。钻头的导向(Pilot)区域的中心位于第二偏心旋转轴线上，用以 钻导孔，钻头的部件与导孔的壁接合用于稳定钻头。为了最大的稳定性，期望导向区域具有大直径。然而，增加导向区域的尺寸导致两 轴线彼此相当靠近，对于给定尺寸的工具来说减小了可被钻孔的最大直径。EP0058061描述了上文中所概述的一般类型的双中心钻孔钻头。在GB2351513、 US6394200、EP1085167、EP1039095 和 US2004/0099448 中示出 了类似的布置。本发明的一个目的是提供一种克服上文中所阐述的缺点或减小其作用的钻具。
发明内容
根据本发明，提供了一种钻具，其包括具有主钻孔区域和偏心于主钻孔区域的导 向钻孔区域的主体，主钻孔区域包括多个主刀片，导向钻孔区域包括多个导向刀片，主钻孔 区域限定以第一轴线上为中心的主通路直径，至少一个主刀片延伸至主通路直径，导向区 域限定以第二旋转轴线为中心的导向规格直径(gauge diameter)，至少一个导向刀片延伸 至导向规格直径，其中，直径等于导向规格直径和以第二旋转轴线为中心的圆周的一部分 在直径等于主通路直径和以第一轴线为中心的圆周的外侧间隔开。优选地，至少一个导向刀片短于导向规格直径，仅延伸至主通路直径的一部分。这样的设置的优点在于，导向区域可以有增加的直径，从而受益于增强的稳定性 和增加的钻具尺寸，同时，允许对相对大直径的孔区域被钻孔。应当理解，直径等于导向规格直径的圆周和直径等于主通路直径的圆周在两个间 隔开的位置处相交。优选地，刀片被设置在每一所述位置上，这些刀片便于同时用作主刀片 和导向刀片。主刀片便于通过许多保径垫(gauge pad)彼此相互连接。流动通道优选地设置在 保径垫的下方以允许流体流过。优选地，保径垫和刀片一起限定保径环(gauge ring)。保 径环优选地为大致圆形横截面，但优选地包括具有不同曲率半径的区域，该区域的位置与 短于所述导向规格直径的所述至少一个导向刀片的位置在直径上相对。
参考附图，通过举例的方式，对本发明进行了进一步的描述，其中图1是现有技术的双中心钻头的图示；图2是根据本发明的一个实施例的钻头的图示；图3是示出图2中的钻头的端视图；图4是示出图2中的钻头的操作的图示；图5a和5b是在使用中的钻头的图示；和图6是类似于附图3的视图，但示出可替代的实施例。
具体实施例方式首先参考图1，示出了现有技术中的双中心钻头，其包括限定主钻孔区域12和导 向钻孔区域14的钻头主体10。钻头主体10还包括安装销区域16，由此钻头可被固定至其 它的支撑钻头的井下工具上，允许钻头上重量(weight-on-bit)负载被施加到钻头上，并 允许钻头被驱动以进行旋转。钻头主体10的主钻孔区域12包括多个直立的刀片18 (仅一个是可见的)，每一个 刀片上安装有多个切削元件20，例如成多晶金刚石的小型切削元件的形式。至少一些刀片 18向外延伸至主通路直径22，其中心位于与钻头的转动轴线26偏置或偏心的轴线24上。导向钻孔区域14也包括多个直立的刀片28，其与主钻孔区域12中的刀片18 — 样，承载多个切削元件20。导向钻孔区域14的刀片28远离旋转轴线26向外延伸至导向规 格直径30，其以旋转轴线26为中心。如从附图1可以清楚地看到，直径等于导向规格直径 30的导向规径圆周(gauge circle)以旋转轴线26为中心，并且完全位于直径等于主通路 直径22且中心位于轴线24上的通路圆周内。在使用时，在钻头围绕其旋转轴线26旋转的同时，钻头上重量负载施加至其上， 导致导向钻孔区域14钻出相对小直径的孔，该孔之后通过主钻孔区域12被加宽或延展。主 钻孔区域12比导向钻孔区域14的直径大，且还被布置成与其偏心，结果是，完工的孔的直 径显著地大于导孔的直径，完工的孔的半径大致等于从旋转轴线26至最远离旋转轴线26 的主钻孔区域12的刀片18的边缘的径向距离。在这样的孔扩展过程中，钻头的导向区域 14和导孔的壁之间的接合，用于稳定钻头，从而反作用于由主钻孔区域12的刀片18相对于 旋转轴线26偏心布置所产生的施加至其上的侧向作用负载。虽然能够钻出相对大直径的孔，但是双中心钻头能够钻进或穿过直径非常小的 孔，钻头能够穿过直径等于主通路直径22的开口。如上所述，这样的布置具有这样的缺点即能够使用所述钻头的井下钻具的最大 直径相对小而且钻头的稳定性相当差。根据本发明的一个实施例，参考图2-5，钻头包括钻头主体50，例如铸钢的形式， 其限定主钻孔区域52和导向钻孔区域54。如已知的布置，主钻孔区域和导向钻孔区域52、 54每个设置一系列的直立的刀片56和58，刀片中的每个承载多个切削元件60。钻头主体 50还包括安装销(未示出)，由此它可被连接至其它的井下钻具上，以允许在期望的位置上 支撑钻头，以将钻头上重量负载施加到其上以及传递旋转运动至钻头。
如上文所述，主钻孔区域52包括多个主刀片56 (附图4中未示出)，主刀片56中 的至少一些向外延伸至具有通路直径的通路圆周68上。也如上文所述，导向钻孔区域54具有多个导向刀片58。导向钻孔区域54的中心 位于钻头的旋转轴线64上，且大部分的导向刀片58远离旋转轴线64延伸至具有导向规格 直径66的导向规径圆周65。导向规径圆周65的中心位于旋转轴线65上。通路圆周68的 中心位于与旋转轴线64间隔开的轴线72上，直径66、70使得导向规径圆周65的一部分74 突出到通路圆周68的外侧。虽然大部分导向刀片58延伸至导向规径圆周65上，导向刀片 中的一个(由数字58a来表示)沿导向规径圆周65突出通路圆周68以外的方向延伸，该 刀片58a短于或未到达导向规格直径66，仅延伸至通路圆周68。尽管在这个实施例中只有 一个刀片58a是这样设置的，但是以下布置是可能的，其中两个或者更多的刀片58a沿导 向规径圆周65突出通路圆周68以外的方向延伸，且在这样的布置中每个刀片58a短于或 未到达导向规格直径66，仅延伸至通路圆周68。应当理解，通过将缩短的导向刀片58a包含在钻头的这一部分中，可以获得相对 大的导向规格直径66。结果，可以改善钻头的稳定性。可以获得这些优点，而不增加通路直 径的尺寸和不减小钻头的最大钻孔直径。如图5a和5b分别示出的，钻头用于对相对大直 径的钻井区域进行钻孔，穿过相对小直径的区域，从这些附图可以清楚地看出，尽管钻头具 有相对大的导向规格直径，与典型的布置相比，本发明仍然允许形成具有比钻头的通路直 径大许多的直径的钻孔区域。导向规径圆周65在两个点76处与通路圆周68相交，且方便地同时用作导向刀片 和主刀片56、58的刀片位于这些点76上。这样的布置的优点在于，稳定性，特别是导向区 域的稳定性被提高，因为这些刀片提供了与靠近设置了缩短的刀片58a的导向部分的任一 侧的地层结构的接触点。优选地，点76彼此间隔开足够的距离，使得它们在轴线64处相对 的角度为80-130°，优选地约100°。接下来，参考图6，示出了一种可替代的布置。因为图6中的大部分与图3中的相 同或者非常类似，所以这里仅对显著的差别进行详细描述。在图6的布置中，设置有多个保径垫80，每个保径垫80相互连接主刀片56中两个 相邻的主刀片，跨过在其之间形成的槽82。保径垫80与主刀片56的相邻部分共同限定了 连续的保径环86。尽管未示出，保径环的保径面可以设置有适合的耐磨涂层或插入件。此 外，虽然图示是连续的，如果需要，保径环86可以是部分圆周的不连续的形式。流动通道84 形成在保径垫80的下面、在保径垫80和主体50之间，允许流体沿着槽82流过保径环86。保径环86为大致圆形，但可以包括与刀片58a相对设置的、具有不同的(优选较 大的)直径的区域88。类似地，在图2-5的布置中，刀片56在这个区域中可以短于通路圆 周68。尽管在上文对钻头进行了描述，但是应当理解，本发明还可应用于其它类型的钻 具，如扩孔钻(reamer)等。另外，应当理解，在不偏离本发明范围的情况下，可以对此处描 述的布置进行各种修改和替换。
权利要求
一种钻具，其包括具有主钻孔区域和与所述主钻孔区域偏心的导向钻孔区域的主体，所述主钻孔区域包括多个主刀片，所述导向钻孔区域包括多个导向刀片，所述主钻孔区域限定以第一轴线为中心的主通路直径，所述主刀片中的至少一个延伸至所述主通路直径，所述导向区域限定以第二轴线为中心的导向规格直径，所述导向刀片中的至少一个延伸至所述导向规格直径，其中，直径等于所述导向规格直径且以所述第二轴线为中心的圆周的一部分在直径等于所述主通路直径且以所述第一轴线为中心的圆周的外侧被间隔开。
2.如权利要求1所述的工具，其中所述导向刀片中的至少一个短于所述导向规格直 径，仅延伸至所述主通路直径的一部分。
3.如权利要求1或2所述的工具，其中直径等于与所述导向规格直径的所述圆周和直 径等于所述主通路直径的所述圆周在两个间隔开的位置处相交，在每个所述位置处设置有 导向刀片。
4.如权利要求3所述的工具，其中既用作主刀片又用作导向刀片的刀片位于每个所述 位置处。
5.如权利要求3或4所述的工具，其中所述位置以80-130°角度对着所述第二轴线。
6.如权利要求5所示的工具，其中所述位置以100°角度对着所述第二轴线。
7.如前述权利要求中任一项所述的工具，其中相邻的主刀片通过一系列保径垫彼此互 相连接。
8.如权利要求7所述的工具，还包括设置在所述保径垫下方的流动通道，以允许流体 通过。
9.如权利要求7或8所述的工具，其中所述保径垫和刀片共同限定保径环。
10.如权利要求7-9中的任一项所述的工具，其中所述保径环大体上为圆形横截面，但 包括具有不同曲率半径的区域，该区域的位置与短于所述导向规格直径的所述至少一个导 向刀片的位置在直径上相对。
全文摘要
钻具包括具有主钻孔区域和与主钻孔区域偏心的导向钻孔区域的主体，主钻孔区域包括多个主刀片，导向钻孔区域包括多个导向刀片，主钻孔区域具有中心位于第一轴线上的主通路直径，至少一个主刀片延伸至主通路直径，导向区域具有中心位于第二旋转轴线上的导向规格直径，至少一个导向刀片延伸至导向规格直径，其中，直径等于导向规格直径的和中心位于第二旋转轴线的圆周的一部分延伸到直径等于主通路直径和中心位于第一轴线上的圆周的外面。
文档编号E21B10/43GK101899952SQ200910253060
公开日2010年12月1日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者瑞德哈·察法, 詹姆斯·华莱士 申请人:瑞德海可洛格英国有限公司